Struktura, vlastnosti a chování p3-p1 a jejich sloučenin
p2
prvky 14. skupiny: uhlík C, křemík Si, germanium Ge, cín Sn, olovo Pb – všechny jsou pevné látky
mají 4 valenční elektrony – ns2 np2
uhlík je maximálně čtyřvazný, ostatní mohou být až šestivazné (obsazují volné orbitaly nd)
mají schopnost řetězení, tj. tvorby vazeb mezi stejnými atomy (nejvíce se to projevuje u uhlíku a s rostoucím protonovým číslem tato schopnost klesá, olovo už ji prakticky nemá)
uhlík a křemík tvoří stálejší sloučeniny v oxidačním čísle IV, cín a olovo má stabilnější sloučeniny odvozené od oxidačního čísla II.
Fyzikální a chemické vlastnosti:
UHLÍK – je tuhý nekovový prvek. Volný existuje v mnoha různých alotropických modifikacích (viz dále). Za vyšších teplot se uhlík slučuje s vodíkem, kyslíkem, halogeny, sírou, dusíkem a s mnoha kovy tvoří karbidy, za běžných podmínek je poměrně málo reaktivní. Má schopnost řetězit se, převážnou většinou jeho sloučenin se zabývá organická chemie. Anorganika se zabývá CO, CO2, H2CO3 a její soli či CS2 (na pomezí organiky a anorganiky pak leží sloučeniny nazývané karbidy). Může být v oxidačních stavech od –IV do IV.
KŘEMÍK – Je to tmavě šedý, kovově lesklý, značně tvrdý, křehký polokov se strukturou podobnou diamantu. Křemík není příliš reaktivní, za normální teploty reaguje pouze s fluorem (za vzniku SiF4), za zvýšené teploty s ostatními nekovy i většinou kovů. Je čtyřvazný, vytváří kovalentní vazby, mnohdy s polárním charakterem. Je rezistentní vůči všem kyselinám s výjimkou fluorovodíkové, reaguje však s roztoky alkalických hydroxidů za vzniku křemičitanů a uvolnění vodíku. Může být v oxidačních stavech od –IV do IV.
GERMANIUM – Je to šedý, kovově lesklý polokov se strukturou podobnou diamantu. Vlastnostmi se velmi podobá křemíku, není odolný vůči HNO3 (oxiduje se na hydratovaný oxid germaničitý). Nabývá oxidačních stavů -IV, II, IV.
CÍN – Je to neušlechtilý, dobře tažný, nepříliš tvrdý, stříbrobílý a lesklý kov. Vůči vzduchu i vodě je za normální teploty stálý a pasivuje se. Vůči působení silných minerálních kyselin není cín příliš odolný. Má velmi nízký bod tání. Tvoří tři alotropické modifikace (šedý, bílý a křehký cín). Při delším vystavení nižším teplotám se cínové předměty poškozují, protože bílý cín přechází v šedou práškovitou modifikaci – říká se tomu cínový mor. Má amfoterní charakter, běžně se vyskytuje v oxidačních stavech II a IV.
OLOVO – Je to toxický, neušlechtilý, měkký, velmi těžký a málo pevný kov šedé barvy, je však kujný a tažný, dá se dobře válcovat i odlévat. Za normálních podmínek je olovo odolné
a neomezeně stálé vůči atmosférickým vlivům (pokrývá se oxidem olovnatým), je však
reaktivnější než cín. Vyskytuje se s oxidačními čísly II a IV.
Výskyt:
UHLÍK – Uhlík se v přírodě vyskytuje jednak volný, jednak vázaný v anorganických a zejména
organických sloučeninách. V přírodě se většina uhlíku nachází ve formě uhlí, ropy a zemního
plynu, z anorganických sloučenin především ve formě uhličitanů – kalcit CaCO3, magnezit
MgCO3, dolomit CaMg(CO3)2 – a v atmosféře a minerálních vodách jako CO2. Je to biogenní
prvek, tvoří přes 10 milionů organických sloučenin.
KŘEMÍK – Křemík je po kyslíku druhým nejrozšířenějším prvkem v zemské kůře, v níž je
zastoupen cca 26 %. Vyskytuje se výhradně ve formě kyslíkatých sloučenin, zejména různých
forem oxidu křemičitého, křemičitanů (granáty, turmalín) a hlinitokřemičitanů (slídy,
živce). Nejvýznamnějším minerálem je křemen, oxid křemičitý SiO2. Mnoho jeho odrůd patří
mezi drahé kameny – čirý křišťál, fialový ametyst, žlutý citrín, růžový růženín, hnědý
záhněda…
GERMANIUM – Je velmi vzácný, velmi rozptýlený a těžce dostupný prvek. V sulfidické formě
většinou doprovází cínové a zinkové rudy. Velmi vzácně se dá najít směsný sulfid stříbra a
germania argyrodit Ag8GeS6.
CÍN – Tento poměrně vzácný prvek se nejčastěji nalézá ve formě kassiteritu (cínovec) SnO2 a
stannit Cu2FeSnS4.
OLOVO – Významným minerálem je galenit (leštěnec olověný) PbS, dále se olovo vyskytuje
ve formě málo rozpustného uhličitanu nebo síranu. Jeho množství v zemské kůře se neustále
pomalu zvětšuje, protože je konečným produktem většiny radioaktivních rozpadů.
Alotropické modifikace:
UHLÍK – Nejznámějšími modifikacemi uhlíku jsou grafit a tuha, nicméně to není zdaleka vše.
Diamant je tvořen uhlíkem krystalizujícím v soustavě krychlové a je nejtvrdším a velmi
cenným přírodním nerostem. Na každý uhlík jsou kovalentně vázány další čtyři uhlíky do
vrcholů tetraedru (hybridizace sp3). Lonsdaleit se v mnohém podobá diamantu, pouze
krystalizuje v šesterečné soustavě. Grafit (tuha) je nejčastější přírodní modifikace uhlíku,
jejíž struktura se skládá z vrstev tzv. grafenu (samostatný grafen je další modifikací), které
jsou tvořeny uhlíky navázanými do šestiúhelníků. Na každý uhlík jsou kovalentně vázány další
tři uhlíky (hybridizace sp2). Tvoří se zde rozsáhlý systém delokalizovaných elektronů (π-
systém). Jednotlivé vrstvy spolu drží pomocí van der Waalsovy síly. Fullereny je označení
pro uměle vyráběné sférické molekuly uhlíku. Tyto molekuly jsou mimořádně odolné vůči
vnějším fyzikálním vlivům. Zatím nejstabilnější známý fulleren je molekula, obsahující 60
uhlíkových atomů. Fullereny se uměle připravují pyrolýzou organických sloučenin laserem.
Další modifikace jsou uhlíkové nanotrubice, skelný uhlík, amorfní uhlík, saze, uhlíková
nanopěna, karbyn atd.
Příprava, výroba a využití:
UHLÍK – Vyrábí se rozkladem organických sloučenin bez přístupu vzduchu. Grafit se používá
k výrobě elektrod (je vodivý), tužek či moderátorů pro jaderné reaktory. Diamant slouží
k obrábění tvrdých materiálů, do vrtných hlavic a ve šperkařství. Ve filtrech ochranných
masek se používá pórovitá forma uhlíku – aktivní uhlí (v lékařství též živočišné). Jako plnidlo
při výrobě pneumatik se používají saze. Uhlík se také používá k redukci kovů z rud (např.
výroba železa).
KŘEMÍK – Získává se redukcí oxidu křemičitého karbidem vápenatým nebo uhlíkem
v obloukových elektrických pecích (ve druhém případě je uhlík v reakci grafitovou
elektrodou, která se spotřebovává): ,
a . Křemík je zřejmě nejčastější surovinou pro výrobu
polovodičových součástek (ale jen zřídka se používá v úplně čistém stavu, častější jsou
příměsové polovodiče).
GERMANIUM – Průmyslově se získává ze zbytků po zpracování zinkových rud a z popele po
spalování uhlí s jeho zvýšeným obsahem. Užívá se v polovodičové a supravodičové
technice a jako součást speciálních slitin.
CÍN – Vyrábí se z oxidu cíničitého redukcí uhlím. Vzhledem k omezeným zdrojům a velkému
použití se cín získává zpět i z odpadu, zejména z pocínovaných plechů (podobná politika se
čím dál tím víc uplatňuje i u hliníku). Používá se hlavně na pocínování plechu pro výrobu
potravinářských konzerv. Velké množství cínu se spotřebuje na výrobu slitin, zejména
bronzů.
OLOVO – Vyrábí se pražením galenitu na oxid olovnatý a jeho následnou redukcí uhlíkem.
Díky tomu, že velice dobře pohlcuje radioaktivní záření, se využívá k odstínění záření
v chemických a fyzikálních aparaturách, protiatomových bunkrech a především v lékařství při
ochraně obsluhy běžných medicinálních rentgenů. Používá se také k výrobě elektrod do
akumulátorů, obalů kabelů, vodovodních a odpadních trubek a slitin (liteřina, různé pájky
atd.).
Sloučeniny:
UHLÍK – Oxid uhelnatý CO je bezbarvý plyn bez chuti a zápachu, velmi málo rozpustný ve
vodě, za nízkých teplot spíše málo reaktivní (trojná vazba v molekule), za vyšších teplot silné
redukční činidlo. Je prudce jedovatý, protože se váže v krvi přednostně na atom železa
v hemoglobinu (vzniká karboxyhemoglobin) a blokuje tím přenos kyslíku v organizmu. Vzniká
hořením uhlíku za nedostatku kyslíku, připravuje se také rozkladem kyseliny mravenčí. Je
součástí průmyslově významných plynů – vodního (H2, CO) a generátorového (N2, CO). Oxid
uhličitý CO2 je bezbarvý plyn slabě kyselé chuti. Je součástí koloběhu kyslíku a uhlíku
v přírodě – je spotřebováván během fotosyntézy a naopak je uvolňován během biologické
oxidace (buněčného dýchání). Vzniká také při kvašení a spalování organických látek (např.
uhlí, dřevo, ropa, oleje). Dostává se tak ve velkém množství do ovzduší. V současné době
tvoří 0,035% vzduchu. Jeho zvyšující se množství v atmosféře se podílí na vzniku
skleníkového efektu (ten v první řadě způsobil rozvoj života na Zemi, globální oteplování je
druhotný efekt zapříčiněný činností člověka). Je dobře zkapalnitelný, přepravuje se
v tlakových lahvích s černým pruhem. Připravuje se reakcí uhličitanů se silnými kyselinami
nebo jejich tepelným rozkladem: ,
. Používá se jako chladící medium, ve sněhových hasicích přístrojích a v potravinářství
(výroba cukru, sycené nápoje). Kyselina uhličitá H2CO3 je slabá málo disociovaná kyselina,
kterou nelze izolovat v čistém stavu. Vzniká rozpouštěním CO2 ve vodě. Odvozují se od ní dvě
řady solí – uhličitany a hydrogenuhličitany. Význam mají hydrogenuhličitany prvků 2.
skupiny, které jsou rozpuštěny v přírodních vodách a způsobují tzv. přechodnou tvrdost (a
v případě Ca(HCO3)2 i krasové jevy). Z uhličitanů bych mohl zmínit zejména Na2CO3 (soda) a
K2CO3 (potaš), které jsou základními surovinami při výrobě skla, papíru, textilií, mýdla, při
mytí, praní, čištění a při změkčování vody. Karbidy jsou binární sloučeniny uhlíku s prvky o
nižší elektronegativitě, tj. s kovy a polokovy. Mají různou strukturu a tím i různé užitné
vlastnosti. Sulfid uhličitý CS2 (sirouhlík) je bezbarvá, velmi hořlavá kapalina aromatické vůně.
Je výborným rozpouštědlem tuků, živic, kaučuku. Kyanovodík HCN je prudce jedovatá,
snadno těkavá kapalina, zapáchající po hořkých mandlích. Ve vodě se rozpouští na velmi
slabou kyselinu kyanovodíkovou. Její soli – kyanidy se rozpustností i strukturou podobají
chloridům. Kyanidový anion (C N)¯ je častým ligandem v komplexních sloučeninách.
Všechny rozpustné kyanidy jsou velmi jedovaté , např. kyanid draselný KCN, známý jako
cyankáli.
KŘEMÍK – Silany jsou sloučeniny křemíku s vodíkem obecného vzorce SinH2n+2 (pro n = 1 až
6). Jsou to látky strukturně podobné uhlovodíkům methanové řady, jsou však velmi reaktivní
a nestálé. Jsou samozápalné a mají silné redukční účinky. S vodou reagují za vývoje vodíku.
Silicidy jsou binární sloučeniny křemíku s kovem. Oxid křemičitý SiO2 je nejdůležitější a
nejrozšířenější sloučeninou křemíku (písek). Je to tuhá, těžko tavitelná látka. Každý atom
křemíku je vázán kovalentními vazbami se čtyřmi atomy kyslíku v tetraedrickém uspořádání,
jednotlivé tetraedry jsou navzájem spojeny společným atomem kyslíku. Jeho roztavením (ve
formě sklářského písku) a následným prudkým ochlazením vznikne amorfní forma oxidu
křemičitého – křemenné sklo. I přes velké množství křemičitanů není v čistém stavu známa
žádná kyselina křemičitá. Jen okyselením alkalických křemičitanů vzniká zpočátku kyselina
tetrahydrogenkřemičitá H4SiO4. Ta je však nestálá, ztrácí vodu a přechází na polymerní
rosolovité koloidní produkty, nazývané gel kyseliny křemičité. Dehydratací a vysušením
tohoto gelu lze získat amorfní látku zvanou silikagel, která má velké sorpční schopnosti a
používá se jako vysoušedlo např. v exsikátorech.
CÍN – Oxid cíničitý SnO2 se vyskytuje jako nerost hnědočerné, šedé nebo žluté barvy. Nemá
kapalné skupenství, při 1800 °C sublimuje. Ve vodě je nerozpustný a ani s kyselinami a
roztoky hydroxidů nijak výrazně nereaguje. Používá se při výrobě bílých smaltů, glazur a
leštících prášků, má antistatické účinky, a proto se aplikuje na povrchy skel (vzniká mléčné
sklo).
OLOVO – Oxid olovnatý PbO se používá pro výrobu olovnatého broušeného skla s vysokým
indexem lomu a leskem. Další uplatnění nalézá tato látka jako složka keramických glazur a
emailů.